一种电容式MEMS气体传感器制造技术

一种电容式MEMS传感器，尤其适用煤矿安全监测以及生产生活中对空气中甲烷气体的检测，也可运用于特殊环境中氦气、二氧化碳、氩气等气体的检测，其包括一个热执行器和两个梳齿电容，热执行器包括若干对硅梁、一个微梭和锚区；每组梳齿电容包括可动梳齿、一组折叠结构弹簧、固定梳齿、锚区。该传感器可检测甲烷气体的浓度，根据半导体材料在一定电流下的电阻随周围气体中甲烷含量的变化而变化的原理，用硅梁的热形变驱动梳齿电容的电容变化，依据电容变化测量空气中的甲烷浓度。优点：结构简单，适应性强，无中毒影响，使用电容式测量因此无磨损、无惰性，温度、精度稳定性好，抗电磁干扰能力强，动态响应速度快。

【技术实现步骤摘要】
一种电容式MEMS气体传感器
一种电容式微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，简称MEMS)气体传感器，尤其适用煤矿安全监测以及生产生活中对空气中甲烷气体的检测，也可运用于特殊环境中氦气、二氧化碳、氩气等气体的检测。
技术介绍
我国是瓦斯事故最多的国家之一，瓦斯事故的发生，不仅使生命、财产遭受重大损失，而且影响煤炭生产正常进行。因此，防治瓦斯灾害，是煤矿安全生产十分迫切的任务。防治瓦斯灾害的过程中，用于瓦斯检测的甲烷传感器是必不可少的。随着国家对矿山安全的重视程度不断增加，对用于检测甲烷等气体的甲烷传感器的需求也日益增加。现较常见的甲烷传感器有催化燃烧式甲烷传感器、半导体式甲烷传感器、热导式甲烷传感器、红外线甲烷传感器等。催化燃烧式甲烷传感器有引燃爆炸的危险，并且传感器容易受有机蒸汽影响而中毒；半导体式甲烷传感器稳定性较差，对环境要求较高；热导式甲烷传感器可应用的范围很窄，限制因素较多。电容式传感器具有无摩擦、无磨损，温度稳定性好，动态响应速度快等优点，而目前我国目前尚无电容式甲烷传感器。
技术实现思路
本专利技术的目的是公开一种电容式MEMS甲烷传感器，该传感器使用差分电容式结构检测甲烷气体的浓度。本专利技术所根据的原理是半导体材料在一定温度条件下电阻随着环境气体中甲烷含量的变化而变化，用掺杂后的单晶硅制成硅梁，多个硅梁并联，与微梭和锚区组成热执行器后，在硅梁之间施加电流激励，其发热形变程度跟本身电阻的改变有关，以硅梁的热形变驱动梳齿电容的电容值变化，因而用电容值的变化可指示气体的成分。用多个硅梁串联，与微梭和锚区连接制成热执行器，热执行器两端连接两组梳齿电容。在硅梁两端施加电流激励，硅梁的电阻值改变，并且因为电热效应而伸长，伸长的硅梁引起微梭相对位置的改变，微梭驱动两组梳齿电容发生改变，使其中一组梳齿电容的可动梳齿和固定梳齿相互靠近，另一组可动梳齿和固定梳齿相互远离。相互位置改变后的两组梳齿电容间电容值也将发生变化，测量两组梳齿电容之间的电容变化值，与在空气中相同条件下的电容改变值相比对，可确定气体中的甲烷浓度。为实现以上目的，本专利技术是由以下设计方案实现的：它包括一个热执行器、两个左右对称的梳齿电容；所述热执行器包括若干对称分布的硅梁、一个微梭、两个固定在衬底上的锚区Ⅲ；所述硅梁沿微梭两两对称，每个硅梁两端分别固定在锚区Ⅲ和微梭上，沿微梭对称的两个硅梁所呈角度在175度到179度之间；所述微梭与锚区Ⅲ平行，是连接在两个梳齿电容可动端质量块上的悬空梁状结构；所述梳齿电容包括一个固定端和一个可动端；所述固定端包括多根固定梳齿和锚区Ⅰ，其中锚区Ⅰ将固定梳齿固定在衬底上；所述可动端包括多根可动梳齿、一个质量块、两个折叠结构弹簧和锚区Ⅱ，其中锚区Ⅱ一端直接连接衬底，一端连接质量块；其中可动梳齿与固定梳齿交错分布在锚区Ⅰ和质量块之间，质量块可沿微梭方向平移；两个梳齿电容由热执行器的微梭进行驱动，驱动力来自组成热执行器的硅梁受热伸长。由微梭驱动的两组梳齿电容构成差分式结构，差分式结构的两组梳齿电容对称分布，在驱动时，一个梳齿电容的输出电容值增大，另一个梳齿电容的输出电容值减小。优点：结构简单，适应性强，无中毒影响，使用电容式测量因此无磨损、无惰性，温度、精度稳定性好，抗电磁干扰能力强，动态响应速度快。附图说明图1为本专利技术实施例的平面结构图。图2为图1以A-A线为界左半边的立体结构图。图3为图1沿A-A线的截面图。图4为图1沿B-B线的截面图。图5为实施例1中的传感器的制备方法的示意图。图6为空气中的甲烷含量与硅梁电阻变化的线性关系图。图7为两个梳齿电容示意图。图中：1-梳齿电容，11-可动梳齿，12-固定梳齿，13-锚区Ⅰ，14折叠结构弹簧，15-锚区Ⅱ，16-质量块，2-热执行器，21-硅梁，22-锚区Ⅲ，23-微梭，3-硅衬底，4-金属层。具体实施方式下面将结合说明书附图，对本专利技术作进一步的说明。实施例1本专利技术所根据的原理是半导体材料在一定温度条件下电阻随着环境气体中甲烷浓度的变化而变化，用掺杂后的单晶硅制成硅梁，多个硅梁并联，与微梭和锚区组成热执行器后，在硅梁之间施加电流激励，其发热后的机械形变程度跟本身电阻的改变有关，热执行器的形变驱动梳齿电容的电容值变化，因而用电容值的变化可指示甲烷的浓度。根据实验测量，一定温度下，掺杂单晶硅所制成的硅梁，置于空气中时，施加一定值的电流激励时，施加激励后硅梁的电阻增加值是一定的；添加了甲烷后，如图6所示，电阻改变值的倒数与甲烷浓度值呈正比；施加的电流值增大时，电阻改变值也将增大。上述实验说明，气体成分一定时，施加的电流激励越大，硅梁的电阻增加值越大；当添加了甲烷后，随着添加浓度的增加，硅梁的电阻增加值将减小。将多个硅梁与微梭和锚区一起组成热执行器，在硅梁两端施加电流激励时，硅梁的热形变引起微梭相对位置的改变，而硅梁的热形变程度与周围气体甲烷浓度有关。将微梭两端与两组梳齿电容相连，微梭相对位置的改变将驱动梳齿电容的电容值发生变化，从而电容值变化也与甲烷浓度有关，可以指示周围气体中的甲烷浓度。因此将传感器置于含有甲烷的气体中时，对硅梁两端施加电流激励，测量两组梳齿电容的电容值，与同温度下空气中的结果相对照，能够测得甲烷的浓度。如图1所示，本专利技术是由以下设计方案实现的：它包括一个热执行器2、两个左右对称的梳齿电容1；所述热执行器2包括若干对称分布的硅梁21、一个微梭23、两个固定在衬底上的锚区Ⅲ22；所述硅梁21沿微梭23两两对称，每个硅梁21两端分别固定在锚区Ⅲ22和微梭上23，沿微梭23对称的两个硅梁21，为了通电时驱动微梭23的位移尽可能大，其角度应尽量接近180度，所以所呈角度在175度到179度之间；硅梁21每个长度不小于200μm，宽3到5μm之间，高约3.5μm，两两平行，前后两个硅梁间隔20到30μm，以所述微梭23为轴对称分布；所述微梭23和硅梁21为悬空结构；所述微梭23与锚区Ⅲ22平行，是连接在两个梳齿电容1可动端的质量块16上的悬空梁状结构；所述梳齿电容1包括一个固定端和一个可动端；所述固定端包括多根固定梳齿12和锚区Ⅰ13，其中锚区Ⅰ13将固定梳齿12固定在硅衬底3上；所述可动端包括多根可动梳齿11、一个质量块16、两个折叠结构弹簧14和锚区Ⅱ15，其中锚区Ⅱ15一端直接连接硅衬底3，一端连接质量块16；所述可动梳齿11与固定梳齿12交错分布在锚区Ⅰ13和质量块16之间，质量块16可沿微梭23方向平移；质量块16通过折叠结构弹簧14与锚区Ⅰ13相连接；梳齿电容1由热执行器2的微梭23进行驱动，驱动力来自组成热执行器2的硅梁21受热伸长。由微梭驱动的两个梳齿电容1构成差分式结构，差分式结构的两个梳齿电容1对称分布，在驱动时，左侧梳齿电容1的输出电容值增大，右侧梳齿电容1的输出电容值减小。所述锚区Ⅰ13、锚区Ⅱ15、锚区Ⅲ22和微梭上设置有金属层4；锚区Ⅰ13、锚区Ⅱ15和锚区Ⅲ22都包含三层结构：金属层4、顶层硅和二氧化硅埋层，其中二氧化硅埋层把图形化的顶层硅固定在了硅衬底3上；其中锚区Ⅰ13和锚区Ⅱ15的金属层4为电容检测端，锚区Ⅲ22的金属层为热执行器2提供电源连接，在锚区Ⅲ22的电源接通时，微梭23上的金属本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电容式MEMS气体传感器，其特征在于：该电容式MEMS气体传感器包括左右对称的两个梳齿电容(1)和设置在两个梳齿电容(1)之间的热执行器(2)；所述梳齿电容(1)包括固定端和可动端；所述固定端包括锚区Ⅰ(13)和多根固定梳齿(12)，其中多根固定梳齿(12)与锚区Ⅰ(13)相连接；所述可动端包括多根可动梳齿(11)、质量块(16)、锚区Ⅱ(15)；多根可动梳齿(11)与质量块(16)相连接，锚区Ⅱ(15)横向设置在质量块(16)两侧，锚区Ⅱ(15)与质量块(16)之间弹性连接；所述固定梳齿(12)和可动梳齿(11)交替平行分布在锚区Ⅰ(13)和质量块(16)之间；固定梳齿(12)、可动梳齿(11)、质量块(16)为悬空结构；所述热执行器(2)包括多根硅梁(21)、微梭(23)和锚区Ⅲ(22)；所述微梭(23)为横向设置的条状结构，左右两端分别连接两组梳齿电容(1)中的质量块(16)；所述锚区Ⅲ(22)与微梭(23)平行设置；微梭(23)与锚区Ⅲ(22)之间平行设置有多根硅梁(21)；硅梁(21)以微梭(23)为轴对称分布，微梭(23)和硅梁(21)为悬空结构；所述微梭上设置有金属层(4)，锚区Ⅰ(13)、锚区Ⅱ(15)和锚区Ⅲ(22)包含金属层(4)，锚区Ⅰ(13)和锚区Ⅱ(15)的金属层(4)为电容检测端，锚区Ⅲ(22)的金属层为热执行器(2)提供电源连接，锚区Ⅲ(22)的电源接通时，电流通过微梭(23)上的金属层(4)流过硅梁(21)。...

【技术特征摘要】
1.一种电容式MEMS气体传感器，其特征在于：该电容式MEMS气体传感器包括左右对称的两个梳齿电容(1)和设置在两个梳齿电容(1)之间的热执行器(2)；所述梳齿电容(1)包括固定端和可动端；所述固定端包括锚区Ⅰ(13)和多根固定梳齿(12)，其中多根固定梳齿(12)与锚区Ⅰ(13)相连接；所述可动端包括多根可动梳齿(11)、质量块(16)、锚区Ⅱ(15)；多根可动梳齿(11)与质量块(16)相连接，锚区Ⅱ(15)横向设置在质量块(16)两侧，锚区Ⅱ(15)与质量块(16)之间弹性连接；所述固定梳齿(12)和可动梳齿(11)交替平行分布在锚区Ⅰ(13)和质量块(16)之间；固定梳齿(12)、可动梳齿(11)、质量块(16)为悬空结构；所述热执行器(2)包括多根硅梁(21)、微梭(23)和锚区Ⅲ(22)；所述微梭(23)为横向设置的条状结构，左右两端分别连接两组梳齿电容(1)中的质量块(16)；所述锚区Ⅲ(22)与微梭(23)平行设置；微梭(23)与锚区Ⅲ(22)之间平行设置有多根硅梁(21)；硅梁(21)以微梭(23)为轴对称分布，微梭(23)和硅梁(21)为悬空结构；所述微梭上设置有金属层(4)，锚区Ⅰ(13)、锚区Ⅱ(15)和锚区Ⅲ(22)包含金属层(4)，锚区Ⅰ(13)和锚区Ⅱ(15)的金属层(4)为电容检测端，锚区Ⅲ(22)的金属层为热执行器(2)提供电源连接，锚区Ⅲ(22)的电源接通时，电流通过微梭(23)上的金属层(4)流过硅梁(21)。2.根据权利要求1所述的电容式MEMS气体传感器，其特征在于：所述质量块(16)与所述锚区Ⅱ(15)之间通过折叠结构弹簧(14)相连接。3.根据权利要求1所述的电容式MEMS气体传感器，其特征在于：所述锚区Ⅰ(13)、锚区Ⅱ(15)和锚区Ⅲ(22)包括金属层(4)、顶层硅和二氧化硅埋层构成的多层结构，其中所述顶层硅下方的二氧化硅埋层与硅衬底(3)直接相连。4.根据权利要求1所述的电容式MEMS气体传感器，其特征在于：其中沿所述微梭(23)对称分布的两个硅梁(21)之间的夹角介于175-179度之间。5.一种电容式MEMS气体传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步，在SOI硅片上用扩散或离子注...

【专利技术属性】
技术研发人员：马洪宇，王丽影，秦顺利，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32